氢能作为二次能源，必须从一次能源转换得到，再运输至用能终端，转化为电力、热能或机械动力。因此，氢能主产业链可概括为“氢气制取、氢气储运、氢气使用”三个环节。

按照制取过程中的碳排放强度，氢气被分为灰氢、蓝氢和绿氢。灰氢指由化石燃料重整制得的氢气，碳排放强度高，技术成熟，适合大规模制氢，成本优势显著，约占目前全球市场氢源供应的96%[4]。蓝氢包括加装碳捕集与封存（CCS）技术的化石能源制氢和工业副产氢，在灰氢的基础上碳排放量大幅降低。绿氢即可再生能源制氢及核能制氢，制氢过程中几乎不产生碳排放，是未来氢气制取的主流方向。但绿氢制取技术目前成熟度较低，技术成本高，推广应用仍需要时间。典型制氢技术的现状如表1所示。

表 1  典型制氢技术的成熟度、生产规模和碳排放强度对比[5-8]

由可再生能源电解水制氢，能有效解决可再生能源消纳问题，是一条颇具前景的清洁能源技术路径。如何提升电解水制氢的效率，降低技术成本，是突破该项技术发展的关键。目前电解水制氢主要分为碱性电解水制氢、质子交换膜（PEM）电解水制氢、固态氧化物电解水制氢和阴离子交换膜（AEM）电解水制氢四种技术路线，其情况对比如表2所示。其中碱性电解水制氢技术成熟度最高，成本最低，但存在腐蚀问题，且启停响应时间较长，不适合波动性电源。质子交换膜电解水制氢目前已实现初步商业化，其响应速度快，能适应波动性电源，但成本较高，且中国在质子交换膜等核心技术上有待进一步突破。固态氧化物电解水制氢效率高，工作温度高，目前仍处于实验室阶段。阴离子交换膜电解水制氢结合了碱性电解水制氢和质子交换膜电解水制氢的优点，成本较低，且能很好地适应波动性电源。该技术目前尚处于研发阶段，生产规模受到限制。

表 2  四种电解水制氢技术对比[9-11]

目前，中国氢气供给结构中约77.3%来自于化石能源制氢，21.2%来自于工业副产氢，仅1.5%由电解水制氢提供[12]。根据中国氢能联盟对未来中国氢气供给结构的预测，中短期来看，中国氢气来源仍以化石能源制氢为主，以工业副产氢作为补充，可再生能源制氢的占比将逐年升高。到2050年，约70%左右的氢由可再生能源制取，20%由化石能源制取，10%由生物制氢等其他技术供给[13-15]。

几种典型制氢技术的成本，如图1所示。化石燃料制氢技术成熟度高，且已实现大规模生产，是目前成本最低的制氢方式。中国煤资源丰富，制氢成本低至6.8~12元/千克。由于中国天然气对外依存度高，因此天然气制氢成本相对较高。随着碳排放管控进一步严格，化石燃料重整制氢必须结合CCS技术使用，煤制氢成本将升至12~24元/千克。工业副产氢也是重要的氢气来源，需要纯化处理，成本略高于煤制氢。核能制氢尚处于研究阶段，成本区间较大。生物质制氢原料成本低，但氢气提纯难度较大，技术有待进一步成熟。电解水制氢由于电费成本和设备成本偏高，制氢成本高达22.5~33.6元/千克，远高于化石能源制氢和工业副产氢成本。然而，电解水制氢在消纳风、光等可再生能源方面具有巨大的潜力，被看作是未来主流制氢方式。

图  1  不同制氢技术的成本对比[6-8]

目前已有市场应用的电解制氢技术主要为碱性电解水和PEM电解水。其电解装置成本变化如图2a所示。碱性电解水技术相对成熟，国内技术成本低于国外水平，成本下降驱动力主要在于规模化生产以及可再生电力成本降低。PEM电解水装置需要使用稀贵金属和质子交换膜，国内技术水平与国外相比仍有差距，成本远高于碱性电解水装置。但随着技术进步，其成本下降空间较大。多家机构预测了可再生能源制氢成本变化趋势，如图2b所示。目前，可再生能源制氢成本远高于化石能源制氢；到2030年，绿氢相比灰氢可具有竞争力，尤其是在可再生资源禀赋好的地区；到2050年，绿氢方能具有成本优势。若考虑碳价或碳捕集技术成本，到2030年绿氢对比灰氢的成本优势即可凸显。

图  2  电解水制氢相关成本变化预测（以2019年为不变价）

在氢气制取环节，氢气来源多样，需从资源禀赋、制氢成本、环境效应多方面综合考虑选择合适的制氢方式。得益于中国煤矿资源丰富和煤化工技术成熟，化石燃料制氢凭借成本优势成为目前的主要氢气来源。长远来看，化石燃料制氢必须加装碳捕集装置使用，方能满足碳排放要求，这将导致其成本升高，在供氢结构中比例逐步下降。可再生能源电解水制氢可实现净零排放，且随着技术进步和规模化生产，其成本有望进一步降低。到2030年可在资源禀赋好的地区与化石能源制氢形成竞争力，到2050年具备成本竞争优势，届时将成为主流制氢技术。此外，具备本地资源优势的地区，可以适当利用工业副产氢和核能制氢作为氢气来源。

标准状况下，氢气的密度约为空气的1/14，因此其体积能量密度并不占优势[16]。按照美国能源部提出的商业化储氢密度要求，质量储氢密度需达到6.5 wt%（存储氢气质量占整个储氢系统的质量百分比），体积储氢密度达到62 千克/立方米 [17]。此外，氢气分子尺寸小，易泄露，还可能引起氢脆和氢腐蚀问题[18-19]，对储存容器要求极高。此外，氢气是易燃易爆气体，其燃点为574°C，爆炸极限广至4%~75%，安全问题极为重要。因此氢气的储运具有一定难度，但也是保证氢气安全且经济化应用的关键[20]。

储氢技术分为两个方向：物理储氢和化学储氢[21-22]。物理储氢主要包括常温高压储氢、低温液化储氢、低温高压储氢和多孔材料吸附储氢；化学储氢主要包括金属氢化物储氢和有机液体储氢。几种典型储氢技术性能对比如表3所示。高压气态储氢设备便捷，已成熟商业化，然而储氢密度低，且存在泄露安全隐患，长期来看不是储氢技术优选方案[23]。低温液态储氢需将氢气液化储存，可以大幅提高储氢密度，然而液氢储存能耗和成本较高[24]。欧美和日本的液氢储运技术已成熟商业化，而国内受核心技术和高成本限制，液氢仅应用于航天领域[25]。低温高压储氢技术相较于高压气态储氢提高了储氢密度，相较于液态储氢降低了能耗[26]，不过目前尚处于研发阶段。多孔材料，如碳纳米材料[27-28]、金属有机框架物[29-30]等，比表面积大，可以通过范德华力吸附氢气，但是在常温常压下的吸附性能和储氢容量有待提高。一些特定金属、金属化合物在一定的温度和压力下能与氢气反应，生成金属氢化物，经加热重新释放氢气，如镁基合金、钛基合金、稀土系金属等[31-32]。固态金属储氢安全性高，能保持氢气高纯度，但吸放氢性能和循环使用性能有待改善。近年来，不饱和烃类有机溶液被看作是颇具前景的氢载体，通过加氢反应储存氢气，通过脱氢反应释放氢气，储氢密度高，且可以借助现有的液体燃料输运基础设施实现氢运输[33-34]。目前尚处于研发阶段，反应催化剂有待进一步优化，且脱氢后的氢气需要进一步纯化。

表 3  典型储氢技术对比[35-37]

要实现氢气跨空间使用，必须进一步优化氢气运输途径。当前三种主流的氢气运输方式为气管拖车、液氢槽车/船、氢气管网，其成本与运输距离的变化如图3所示。氢气长管拖车运输高压气体，灵活性高，但载氢量小，储氢密度低，存在高压危险。当运输距离较小时，气氢长管拖车较液氢运输具有成本优势。但随着运输距离增加，其运输成本快速上升，因此仅适用于短距离、小体量输氢。液氢槽车运输低温液体，其单次载氢量超过气管拖车的11倍，储氢密度能达到美国能源部提出的商业化要求，运输成本随运输距离变化基本维持稳定，适合远距离、中大体量运输。但是如何降低氢气液化功耗、减少运输过程中氢气损耗，有待进一步优化。氢气管网初始投资成本高，其输氢成本随运能的提升而降低，当运输体量达到一定规模方能凸显其经济性，且随着运输距离的增加输氢成本显著升高。因此，管网输氢适用于固定性的批量供氢线路。此外，借助成熟的天然气管网掺氢运输也是可选的输氢方案，可节省管网初期造价成本，在国内外均已有示范项目。鉴于氢腐蚀带来的安全问题，按目前技术水平，建议掺氢比例不高于20%[38]。固态储氢和有机溶液储氢运输方便，且储氢密度高，待技术突破，将大大降低氢气输运成本。

图  3  不同输氢方式的成本与运输距离的关系①

在氢气储运环节，需要因地制宜，根据输氢体量和输氢距离选择输氢方式。短距离小体量运输宜选用氢气拖车，长距离运输宜选用液氢槽车或船舶，固定线路上大体量输氢宜选用管网运输。固态储氢和有机溶液储氢若能实现技术突破，将大大提高储氢密度，实现更安全、更便利和更低成本的氢气运输。

氢气可以通过氢燃料电池或燃气轮机可转化为电能和热能，是高能量密度的能源载体；同时氢气也是重要的化工原料和还原气体，被广泛应用于各个领域。

在交通行业，以氢燃料为动力，可以实现车辆使用端的零碳排放[39-41]。相比电动力，氢动力可以实现更长续航，在低温环境下有很好的适应力，同时氢气加注速度远高于充电速度。因此，氢动力在货用卡车、长途汽车应用中有着无可比拟的优势，氢动力叉车凭借其灵活性和快充性能已实现推广使用。氢动力飞机、氢动力船舶以氢代替传统燃油，在保证续航和载重能力的同时更加清洁环保，相关研究正在如火如荼进行中，目前全球已有少量示范案例。此外，氢动力在使用过程中仅产生水，且避免了噪音和高温的产生，是军事交通的优选动力来源。作为低温推进剂，液氢在航天领域已有多年应用历史。

关于氢能在交通领域的发展规划，目前主要聚焦于陆上车辆。本文将比较氢动力与燃油动力和电动力车辆的使用成本。车辆的全生命周期成本主要由车辆购置成本、动力燃料成本和车辆维护成本构成。

在氢燃料电池车辆购置成本中，氢燃料电池系统和储氢系统的占比超过50%，其余部分成本与动力燃料车辆和电动车辆相近。从2017—2020年，中国燃料电池汽车保有量增长了约2.9倍，氢燃料电池系统成本由13 000元/千瓦降低至5 000元/千瓦以下。目前，中国应用的储氢瓶中以35 兆帕 III型瓶为主，车用储氢系统价格约为5 000元/千克。目前中国氢能在交通领域已实现应用化的主要场景为客车。以10.5米客车为例，燃油客车购置成本为40万元，电动客车购置成本为74万元（价格信息来自中国政府采购网），而氢燃料电池客车购置成本为195万元[42]，远高于燃油客车与电动客车，现阶段仍需依靠政府补贴。但随着技术进步、生产经验累积与规模扩大，燃料电池系统和储氢系统成本将逐步下降，氢燃料电池车辆购置成本也将进一步下降。

氢燃料电池车辆的燃料成本即加氢价格，除氢气制取和储运环节外，氢气加注环节将增加用氢成本约14元/千克[8]。表4以30吨级重卡、客车、乘用车为例，对比了燃油车、电动车、氢燃料电池车在当前技术水平下的百公里耗能情况。按照当前加氢价格，氢动力的使用成本远高于燃油动力和电动力。图4展示了在不同交通工具应用中，燃油动力和电动力车辆的动力成本区间，以及在不同氢气价格下氢动力车辆的动力成本。当加氢价格小于45元/千克，氢动力技术在重卡领域与电动技术形成竞争力，在乘用车领域与燃油技术相比具有竞争优势；当加氢价格小于40元/千克，氢动力技术在重卡领域与燃油技术形成竞争力，在客车领域与燃油和电动技术形成竞争力；当加氢价格低于35元/千克，氢动力技术方能在乘用车领域与电动技术形成竞争力；当加氢价格低于20元，氢动力技术在三种车型领域应用相比起燃油技术和电动技术均具有竞争优势。②③

表 4  不同动力燃料交通工具百公里耗能量

图  4  不同动力交通工具百公里动力成本

美国阿贡实验室[43]以轻型车为研究对象，对比了三种动力车辆的维护成本。其中燃油车辆的维护成本最高，电动车辆与氢燃料车辆维护成本相当，减少了机械运动部件和机油的使用，维护成本比燃油车辆低近40%。

综上所述，氢燃料电池车辆购置成本远高于燃油车和电动车，中短期内需依赖国家补贴。从燃料使用成本方面来看，氢燃料在重卡和客车领域更易具有竞争力，在乘用车领域需以低于35元/千克的氢气价格方能与电动车竞争。车辆维护成本在车辆生命周期成本中占比较低，尚不能凸显氢燃料车辆的优势。

在工业领域，氢气是重要的化工原料，合成氨、合成甲醇、原油提炼等，均离不开氢气[44-45]。在电子工业中[46]，芯片生产需要用高纯氢气作为保护气，多晶硅的生产需要氢气作为生长气。目前国内多晶硅生产工艺中，氢气消耗量约为500~1 500 标准立方米/吨 Si[47]。随着信息技术和光伏产业的发展，电子工业对氢气的需求量持续增长。在钢铁行业，用氢气直接还原法代替碳还原法，是降低炼钢行业碳排放量的有效手段[48-49]，在国内外已有少量示范项目。然而，氢能炼钢需要大量氢气供给，这需要成熟且低成本的氢能供应链作为支撑，也需要相关技术和材料的突破。

电子工业使用高纯氢气，一般采用现场电解水制氢。化工行业用氢一般以煤或天然气为原料制取，部分使用工业副产氢，总体使用成本较低。据国际能源署统计[7]，中国以煤制氢为主要氢气来源，合成氨的平准化成本为274~575美元/吨，碳排放强度为3.85吨CO2/吨；合成甲醇的平准化成本为153~346美元/吨，碳排放强度为3.29 吨CO2/吨。为推动工业领域脱碳，用绿氢和蓝氢代替灰氢是大势所趋。若使用电解水制氢，则合成氨的平准化成本为232~1 834美元/吨，合成甲醇的平准化成本为225~1 289美元/吨。传统炼钢工艺采用焦炭为还原剂，炼钢成本为350~390美元/吨，碳排放强度高达1.6 吨CO2/吨[8]，使用纯氢气或氢气混合天然气替代焦炭有利于推进炼钢行业的节能减排。目前的试点和示范项目中，使用100%氢气直接还原炼钢，炼钢成本超过1 000美元/吨（资源最佳地区炼钢成本可低至462美元/吨）；使用50%氢气还原炼钢，则炼钢成本降低至490~860美元/吨[7]。因此，降低氢气的使用成本是推动绿氢在工业领域广泛应用的重要因素。

除了交通行业和工业，氢气在其他行业也有巨大的应用潜力。在电力行业，氢能发电，可以用作备用电源、分布式电源、为电网调峰。在建筑行业，一方面，天然气掺氢用作家用燃料，可以降低燃气使用碳排放强度；另一方面，氢驱动的燃料电池热电联供系统，为建筑物供电供热，综合能源利用效率超过80%。在医疗领域，氢气也被证实有去除氧化基、治疗氧化损伤等疗效[50-51]。在食品工业，也常常用氢气实现油脂氢化，以提高油脂的使用价值[52-53]。

在建筑领域，氢气可代替或掺入天然气燃烧供热，也可通过氢燃料电池实现热电联供。以北京为例，目前终端居民天然气价格约为2.63元/标准立方米[54]，提供1 标准立方米天然气等值热量需要2.82 标准立方米氢气。因此当氢气价格低于10元/千克时，燃氢供热方能与天然气形成竞争力。小型氢燃料电池热电联供系统目前已在欧美、日本实现商业化应用，而中国小型氢燃料电池热电联供系统仍处于试点阶段，千瓦级系统的度电成本超过2元/千瓦时，在经济性方面具有很大的进步空间。

由此可见，氢气在多个行业具有广泛的应用前景。在交通行业，燃料电池系统和储氢系统的成本下降是氢燃料车辆推广的必要条件，氢气加注的价格和便利程度是影响氢动力技术扩散路径的重要因素。若加氢价格低于40元/千克，则氢动力技术有望在重卡和客车领域形成竞争力；当加氢价格低于35元/千克，氢动力技术方能在乘用车领域形成竞争力。在工业领域，氢气作为化工原料，在炼油、合成氨、合成甲醇等领域已有成熟广泛的应用，用绿氢逐步替代灰氢是下一步工业领域脱碳的关键途径。为实现钢铁行业脱碳，氢能炼钢替代焦炭炼钢正成为行业探索的热点。氢能炼钢技术可在资源好的地区先行示范利用，待技术成熟及绿氢成本降低之后再逐步推广。在不考虑碳排放成本的前提下，氢气在建筑行业难以替代天然气等常规的家庭燃料，但仍是良好的备用电源选择。